理論化學(xué)計算軟件拓寬結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)

劉國魁 ，冷 霞，李云志，周廣麗，田 充，夏其英

(臨沂大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 臨沂 276000)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是高等學(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)的核心課程之一，對宏觀現(xiàn)象給予微觀層次的解釋補充，有助于深化化學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論基礎(chǔ)不僅限于化學(xué)領(lǐng)域，而且在生命科學(xué)、材料、環(huán)境科學(xué)以及藥物開發(fā)與設(shè)計等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。因此，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中引入現(xiàn)代科技、新方法、新理論，為結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)注入新鮮的血液，拓寬結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)，對培養(yǎng)新世紀(jì)多思維的創(chuàng)新型化學(xué)人才有重要的引領(lǐng)作用。

結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門理論性、邏輯性、抽象性、概念性較強的學(xué)科，對學(xué)生的邏輯思維能力、空間想象能力要求高，而且涉及的公式多而復(fù)雜，需要具備一定的數(shù)理基礎(chǔ)知識，在教學(xué)過程中普遍存在“教師難講，學(xué)生難懂”的問題。

針對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中存在的問題，提出了不同的改革方法，如開展多樣化的教學(xué)評估方式[1]，對學(xué)生的課程考核不再僅限于閉卷考試這一單一的傳統(tǒng)方式，通過增加小組討論和課堂展示以及問答方式提高學(xué)習(xí)主動性，課后作業(yè)計入綜合考核中督促學(xué)生及時復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)知識，設(shè)置課程論文這一項培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻，提出問題和解決問題的能力，多元化的考核方式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在教學(xué)過程中，通過實物模型展示以及分子結(jié)構(gòu)3D模型的制作和PPT演示不同結(jié)構(gòu)的對稱元素等方式將復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)及其對稱性直觀形象的展現(xiàn)在學(xué)生面前[2-3]， PPT演示的相關(guān)資料可供學(xué)生反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生對分子對稱性相關(guān)知識的理解掌握，提高了教學(xué)效果；利用“翻轉(zhuǎn)課堂”這一形式[4-5]，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，化被動接受為主動探索理解，結(jié)合課堂討論和教師解惑，可極大加強學(xué)生對所學(xué)知識的理解，但是考慮到該課程的難易程度以及翻轉(zhuǎn)課堂實施前后耗時比較長，增加學(xué)生的課業(yè)負擔(dān)，該種教學(xué)模式更適合作為傳統(tǒng)教學(xué)的補充；在教學(xué)中引入現(xiàn)代技術(shù)，利用專業(yè)的理論化學(xué)計算軟件如Gaussian[6-8]對一些簡單分子的電子結(jié)構(gòu)，軌道能級以及分子光譜等進行計算，使學(xué)生對電子結(jié)構(gòu)，軌道形狀等有了具體認識，加深對所學(xué)知識的理解。同時，理論計算實驗也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論化學(xué)的興趣，可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，幫助學(xué)生理解貫通所學(xué)的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生進行理論化學(xué)研究的興趣和素養(yǎng)，有效提高教學(xué)效果。

1 理論化學(xué)計算軟件進入大學(xué)化學(xué)教學(xué)的必要性

學(xué)生從中學(xué)到大學(xué)，所學(xué)的化學(xué)僅限于“表象”，大都限于化學(xué)組成和變化，對化學(xué)的認識還限于定性的理解，只知道化學(xué)變化前后化學(xué)組成發(fā)生了變化，而不理解導(dǎo)致組成變化的微觀結(jié)構(gòu)的變化，對“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”也僅限于表面層次的認識。在《結(jié)構(gòu)化學(xué)》的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生雖然對于鍵長，鍵角，二面角等有了概念認識，但并不能有效的把這些概念用來描述分子，更無法通過這些參數(shù)來定義分子，進而更加無法理解化學(xué)中的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的內(nèi)涵。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因在于學(xué)生主要通過書面教材學(xué)習(xí)化學(xué)，即使有球棍模型來做演示，很多時候老師也不能很好的強調(diào)鍵長，鍵角，二面角等概念與分子結(jié)構(gòu)之間具體的關(guān)系。因此，在大學(xué)化學(xué)的教學(xué)過程中需要引進現(xiàn)代技術(shù)手段，探究現(xiàn)代化教學(xué)方法，使學(xué)生可以從真正意義上看到分子的三維結(jié)構(gòu)，掌握其鍵長，鍵角，二面角等信息，真正從分子的三維結(jié)構(gòu)上來理解化學(xué)。

1998年諾貝爾化學(xué)獎授予科恩和波普爾標(biāo)志著化學(xué)不再是純實驗科學(xué)，理論計算和實驗在化學(xué)中占有同等重要的地位，化學(xué)研究已從宏觀向微觀轉(zhuǎn)變，同時也標(biāo)志著理論化學(xué)計算軟件可以像實驗儀器一樣來使用。隨著量子力學(xué)在化學(xué)、材料、環(huán)境、藥物設(shè)計等領(lǐng)域的成功廣泛利用，理論化學(xué)計算軟件也越來越多，從分析計算電子結(jié)構(gòu)的量子化學(xué)軟件，到原子、分子層次的分子力學(xué)模擬軟件，以及計算尺度更大的介觀模擬軟件，這些軟件的開發(fā)利用將理論基礎(chǔ)與實際應(yīng)用聯(lián)系起來，在解釋預(yù)測實驗現(xiàn)象，開發(fā)設(shè)計新分子、新材料等方面有著不容忽視的作用，因此，將理論化學(xué)計算軟件引入結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，通過設(shè)計合理的理論實驗，使學(xué)生切身感受到理論化學(xué)的學(xué)有所用，一個理論計算實驗的完成從最初的構(gòu)建模型到計算參數(shù)的設(shè)定，以及最后的結(jié)果分析，需要學(xué)生在對所學(xué)知識的融會貫通，知識的應(yīng)用不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，培養(yǎng)學(xué)生多角度考慮問題的能力，同時，計算實驗的開設(shè)是對基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的補充，可以加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解消化，實驗操作過程可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生理論化學(xué)的科研意識和素養(yǎng)。

2 理論化學(xué)計算軟件進入大學(xué)教育的優(yōu)勢

理論化學(xué)計算軟件進入大學(xué)教育最大的一個優(yōu)勢在于經(jīng)濟方便，與傳統(tǒng)的實驗室進行的化學(xué)實驗相比，理論化學(xué)計算軟件進入大學(xué)課堂所需成本低，有計算機的地方就可以實現(xiàn)，目前已有的免費計算軟件完全可以滿足大學(xué)化學(xué)教學(xué)的實現(xiàn)，因而不需要額外購買類似于實驗室開展化學(xué)實驗所需的其他儀器設(shè)備、藥品，也不需要實驗后續(xù)的廢液廢物的回收處理等，是環(huán)境友好型實驗。其次，在教學(xué)中引入理論化學(xué)計算軟件，是新世紀(jì)計算機技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，符合現(xiàn)代化教學(xué)方法的理念，現(xiàn)如今，多媒體技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大學(xué)課堂，能用多媒體的地方就可以用理論化學(xué)計算軟件來操作，對于一些比較復(fù)雜的計算實驗，可以借助操作演示來實現(xiàn)，學(xué)生通過在實驗中自己構(gòu)建三維分子結(jié)構(gòu)，有助于對分子空間結(jié)構(gòu)、對稱性等的理解。此外，目前大多數(shù)大學(xué)生自己有配備的電腦，學(xué)生在課堂實驗結(jié)束之后，也可以自己在課后練習(xí)(教師可以提供實驗相關(guān)的教程和實驗操作視頻)，對一些復(fù)雜的演示實驗，教師可以制作相應(yīng)的實驗教程，感興趣或者有志于在理論化學(xué)方向深入探究的同學(xué)可以在課后實踐，加深鞏固所學(xué)知識的同時，對培養(yǎng)化學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才有深遠意義。

3 理論化學(xué)計算實驗設(shè)計的思考

考慮到課堂的時效性，設(shè)計一些典型體系的簡單、耗時短的計算實驗是開展大學(xué)化學(xué)計算實驗的基礎(chǔ)，同時實驗的設(shè)計需要緊扣結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)大綱的要求，在重點難點章節(jié)中引入計算實驗，有效提高結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)效果。

作為一個專業(yè)性量子化學(xué)計算軟件，Gaussian和Gaussview軟件已被成功引入理論化學(xué)實驗教學(xué)中，浙江師范大學(xué)滕波濤等人[6]利用Gaussian 03軟件設(shè)計實驗計算分子軌道能級和形狀，河北大學(xué)張春芳等人[7]利用Gaussian 09軟件開展了乙酸乙酯堿性水解機理的理論研究實驗，這些成功的教學(xué)案例表明在大學(xué)化學(xué)教學(xué)過程中引入Gaussian軟件，設(shè)計合理的理論計算實驗是切實可行的，豐富了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)，也為學(xué)生打開了一扇嶄新的結(jié)構(gòu)化學(xué)之門。筆者認為，針對與經(jīng)典理論截然不同的量子化學(xué)理論中的重點、難點內(nèi)容，如對量子力學(xué)基礎(chǔ)知識和波函數(shù)的理解，以及利用量子力學(xué)解決分子相關(guān)的問題，可以設(shè)計如下計算實驗：(1)計算典型的多原子分子H2O2的電子結(jié)構(gòu)，得到鍵長、鍵角、二面角等信息，分析分子軌道圖形和能級，使學(xué)生了解波函數(shù)求解過程的同時，對分子軌道理論有了具體、定量的認識；(2)計算典型的CO、NO異核分子的幾何結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)，直觀觀察分子的不同振動方式。

在計算軟件中，Materials Studio軟件是一款界面友好、容易操作的可視化軟件，是初學(xué)者入門計算化學(xué)的基礎(chǔ)計算軟件之一。山東大學(xué)苑世領(lǐng)教授[9]已應(yīng)用該軟件開設(shè)分子模擬課程，成功在本科生化學(xué)教學(xué)中實踐。針對結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中的晶體部分內(nèi)容，可以考慮設(shè)計如下實驗：(1)金屬以及晶體的構(gòu)建、相應(yīng)晶格參數(shù)的設(shè)置、以及不同晶面的切面結(jié)構(gòu)；(2)SiO2晶體和準(zhǔn)晶體的構(gòu)建，以及相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置和不同晶面的剖面結(jié)構(gòu)。此外，作為對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的拓展補充，考慮利用Materials Studio軟件設(shè)計分子動力學(xué)模擬實驗，與處理電子的量子化學(xué)理論相比，分子力學(xué)理論以原子為基本粒子，遵循經(jīng)典力學(xué)運動規(guī)律，更容易被接受理解，而且分子力學(xué)綜合利用了結(jié)構(gòu)化學(xué)中的量子力學(xué)基本原理和物理化學(xué)中的統(tǒng)計熱力學(xué)知識，有助于學(xué)生對不同學(xué)科知識的融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，也拓寬了學(xué)生的認知，分子模擬更加直觀易懂的特點也易激發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生對理論化學(xué)研究的興趣。

4 總結(jié)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)專業(yè)教學(xué)中的一門主干學(xué)科，由于其自身理論性、邏輯性、抽象性強的特點，歷來是教與學(xué)中的較難課程。針對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革，本文提出將理論計算軟件引入結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)，通過設(shè)計合理多樣的理論計算實驗輔助結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂教學(xué)，基于對增加理論計算實驗教學(xué)的必要性、優(yōu)勢和意義的分析，以及對目前引入計算實驗教學(xué)實踐案例的研究，可見，結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)理論教學(xué)與理論計算實驗的結(jié)合是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的一個趨勢，使抽象的理論具體化，有助于激發(fā)學(xué)生對晦澀難懂的結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，降低教與學(xué)的難度，注重了對不同學(xué)科知識的融會貫通，從而提高結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。此外，隨著理論計算化學(xué)在生物、材料、環(huán)境以及藥物設(shè)計等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在緊扣結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)大綱的重點、難點的基礎(chǔ)上，增加有特色的新型理論計算實驗的設(shè)計是未來理論實驗教學(xué)中的一個發(fā)展趨勢，對培養(yǎng)具有廣泛知識背景、多思維角度、創(chuàng)新思維的新時代高水平化學(xué)人才有重要意義。